MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  lmcau Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem lmcau 23034
Description: Every convergent sequence in a metric space is a Cauchy sequence. Theorem 1.4-5 of [Kreyszig] p. 28. (Contributed by NM, 29-Jan-2008.) (Proof shortened by Mario Carneiro, 5-May-2014.)
Hypothesis
Ref Expression
lmcau.1 𝐽 = (MetOpen‘𝐷)
Assertion
Ref Expression
lmcau (𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) → dom (⇝𝑡𝐽) ⊆ (Cau‘𝐷))

Proof of Theorem lmcau
Dummy variables 𝑥 𝑦 𝑓 𝑗 𝑢 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 lmcau.1 . . . . 5 𝐽 = (MetOpen‘𝐷)
21methaus 22248 . . . 4 (𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) → 𝐽 ∈ Haus)
3 lmfun 21108 . . . 4 (𝐽 ∈ Haus → Fun (⇝𝑡𝐽))
4 funfvbrb 6291 . . . 4 (Fun (⇝𝑡𝐽) → (𝑓 ∈ dom (⇝𝑡𝐽) ↔ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)))
52, 3, 43syl 18 . . 3 (𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) → (𝑓 ∈ dom (⇝𝑡𝐽) ↔ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)))
6 id 22 . . . . . . . 8 (𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) → 𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋))
71, 6lmmbr 22979 . . . . . . 7 (𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) → (𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓) ↔ (𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∧ ((⇝𝑡𝐽)‘𝑓) ∈ 𝑋 ∧ ∀𝑦 ∈ ℝ+𝑢 ∈ ran ℤ(𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)𝑦))))
87biimpa 501 . . . . . 6 ((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) → (𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∧ ((⇝𝑡𝐽)‘𝑓) ∈ 𝑋 ∧ ∀𝑦 ∈ ℝ+𝑢 ∈ ran ℤ(𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)𝑦)))
98simp1d 1071 . . . . 5 ((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) → 𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ))
10 simprr 795 . . . . . . . 8 ((((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+) ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))) → (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))
11 simplll 797 . . . . . . . . 9 ((((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+) ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))) → 𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋))
128simp2d 1072 . . . . . . . . . 10 ((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) → ((⇝𝑡𝐽)‘𝑓) ∈ 𝑋)
1312ad2antrr 761 . . . . . . . . 9 ((((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+) ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))) → ((⇝𝑡𝐽)‘𝑓) ∈ 𝑋)
14 rpre 11791 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ ℝ+𝑥 ∈ ℝ)
1514ad2antlr 762 . . . . . . . . 9 ((((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+) ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))) → 𝑥 ∈ ℝ)
16 uzid 11654 . . . . . . . . . . . 12 (𝑗 ∈ ℤ → 𝑗 ∈ (ℤ𝑗))
1716ad2antrl 763 . . . . . . . . . . 11 ((((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+) ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))) → 𝑗 ∈ (ℤ𝑗))
18 fvres 6169 . . . . . . . . . . 11 (𝑗 ∈ (ℤ𝑗) → ((𝑓 ↾ (ℤ𝑗))‘𝑗) = (𝑓𝑗))
1917, 18syl 17 . . . . . . . . . 10 ((((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+) ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))) → ((𝑓 ↾ (ℤ𝑗))‘𝑗) = (𝑓𝑗))
2010, 17ffvelrnd 6321 . . . . . . . . . 10 ((((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+) ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))) → ((𝑓 ↾ (ℤ𝑗))‘𝑗) ∈ (((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))
2119, 20eqeltrrd 2699 . . . . . . . . 9 ((((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+) ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))) → (𝑓𝑗) ∈ (((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))
22 blhalf 22133 . . . . . . . . 9 (((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ ((⇝𝑡𝐽)‘𝑓) ∈ 𝑋) ∧ (𝑥 ∈ ℝ ∧ (𝑓𝑗) ∈ (((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))) → (((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)) ⊆ ((𝑓𝑗)(ball‘𝐷)𝑥))
2311, 13, 15, 21, 22syl22anc 1324 . . . . . . . 8 ((((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+) ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))) → (((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)) ⊆ ((𝑓𝑗)(ball‘𝐷)𝑥))
2410, 23fssd 6019 . . . . . . 7 ((((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+) ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))) → (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶((𝑓𝑗)(ball‘𝐷)𝑥))
25 rphalfcl 11810 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ ℝ+ → (𝑥 / 2) ∈ ℝ+)
268simp3d 1073 . . . . . . . . . 10 ((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) → ∀𝑦 ∈ ℝ+𝑢 ∈ ran ℤ(𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)𝑦))
27 oveq2 6618 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑦 = (𝑥 / 2) → (((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)𝑦) = (((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))
2827feq3d 5994 . . . . . . . . . . . 12 (𝑦 = (𝑥 / 2) → ((𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)𝑦) ↔ (𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2))))
2928rexbidv 3046 . . . . . . . . . . 11 (𝑦 = (𝑥 / 2) → (∃𝑢 ∈ ran ℤ(𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)𝑦) ↔ ∃𝑢 ∈ ran ℤ(𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2))))
3029rspcv 3294 . . . . . . . . . 10 ((𝑥 / 2) ∈ ℝ+ → (∀𝑦 ∈ ℝ+𝑢 ∈ ran ℤ(𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)𝑦) → ∃𝑢 ∈ ran ℤ(𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2))))
3125, 26, 30syl2im 40 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ ℝ+ → ((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) → ∃𝑢 ∈ ran ℤ(𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2))))
3231impcom 446 . . . . . . . 8 (((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+) → ∃𝑢 ∈ ran ℤ(𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))
33 uzf 11642 . . . . . . . . 9 :ℤ⟶𝒫 ℤ
34 ffn 6007 . . . . . . . . 9 (ℤ:ℤ⟶𝒫 ℤ → ℤ Fn ℤ)
35 reseq2 5356 . . . . . . . . . . 11 (𝑢 = (ℤ𝑗) → (𝑓𝑢) = (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)))
36 id 22 . . . . . . . . . . 11 (𝑢 = (ℤ𝑗) → 𝑢 = (ℤ𝑗))
3735, 36feq12d 5995 . . . . . . . . . 10 (𝑢 = (ℤ𝑗) → ((𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)) ↔ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2))))
3837rexrn 6322 . . . . . . . . 9 (ℤ Fn ℤ → (∃𝑢 ∈ ran ℤ(𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)) ↔ ∃𝑗 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2))))
3933, 34, 38mp2b 10 . . . . . . . 8 (∃𝑢 ∈ ran ℤ(𝑓𝑢):𝑢⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)) ↔ ∃𝑗 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))
4032, 39sylib 208 . . . . . . 7 (((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+) → ∃𝑗 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶(((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)(ball‘𝐷)(𝑥 / 2)))
4124, 40reximddv 3013 . . . . . 6 (((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+) → ∃𝑗 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶((𝑓𝑗)(ball‘𝐷)𝑥))
4241ralrimiva 2961 . . . . 5 ((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) → ∀𝑥 ∈ ℝ+𝑗 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶((𝑓𝑗)(ball‘𝐷)𝑥))
43 iscau 22997 . . . . . 6 (𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) → (𝑓 ∈ (Cau‘𝐷) ↔ (𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∧ ∀𝑥 ∈ ℝ+𝑗 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶((𝑓𝑗)(ball‘𝐷)𝑥))))
4443adantr 481 . . . . 5 ((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) → (𝑓 ∈ (Cau‘𝐷) ↔ (𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∧ ∀𝑥 ∈ ℝ+𝑗 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑗)):(ℤ𝑗)⟶((𝑓𝑗)(ball‘𝐷)𝑥))))
459, 42, 44mpbir2and 956 . . . 4 ((𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) ∧ 𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓)) → 𝑓 ∈ (Cau‘𝐷))
4645ex 450 . . 3 (𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) → (𝑓(⇝𝑡𝐽)((⇝𝑡𝐽)‘𝑓) → 𝑓 ∈ (Cau‘𝐷)))
475, 46sylbid 230 . 2 (𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) → (𝑓 ∈ dom (⇝𝑡𝐽) → 𝑓 ∈ (Cau‘𝐷)))
4847ssrdv 3593 1 (𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) → dom (⇝𝑡𝐽) ⊆ (Cau‘𝐷))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 196  wa 384  w3a 1036   = wceq 1480  wcel 1987  wral 2907  wrex 2908  wss 3559  𝒫 cpw 4135   class class class wbr 4618  dom cdm 5079  ran crn 5080  cres 5081  Fun wfun 5846   Fn wfn 5847  wf 5848  cfv 5852  (class class class)co 6610  pm cpm 7810  cc 9886  cr 9887   / cdiv 10636  2c2 11022  cz 11329  cuz 11639  +crp 11784  ∞Metcxmt 19663  ballcbl 19665  MetOpencmopn 19668  𝑡clm 20953  Hauscha 21035  Caucca 22974
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1719  ax-4 1734  ax-5 1836  ax-6 1885  ax-7 1932  ax-8 1989  ax-9 1996  ax-10 2016  ax-11 2031  ax-12 2044  ax-13 2245  ax-ext 2601  ax-sep 4746  ax-nul 4754  ax-pow 4808  ax-pr 4872  ax-un 6909  ax-cnex 9944  ax-resscn 9945  ax-1cn 9946  ax-icn 9947  ax-addcl 9948  ax-addrcl 9949  ax-mulcl 9950  ax-mulrcl 9951  ax-mulcom 9952  ax-addass 9953  ax-mulass 9954  ax-distr 9955  ax-i2m1 9956  ax-1ne0 9957  ax-1rid 9958  ax-rnegex 9959  ax-rrecex 9960  ax-cnre 9961  ax-pre-lttri 9962  ax-pre-lttrn 9963  ax-pre-ltadd 9964  ax-pre-mulgt0 9965  ax-pre-sup 9966
This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 385  df-an 386  df-3or 1037  df-3an 1038  df-tru 1483  df-ex 1702  df-nf 1707  df-sb 1878  df-eu 2473  df-mo 2474  df-clab 2608  df-cleq 2614  df-clel 2617  df-nfc 2750  df-ne 2791  df-nel 2894  df-ral 2912  df-rex 2913  df-reu 2914  df-rmo 2915  df-rab 2916  df-v 3191  df-sbc 3422  df-csb 3519  df-dif 3562  df-un 3564  df-in 3566  df-ss 3573  df-pss 3575  df-nul 3897  df-if 4064  df-pw 4137  df-sn 4154  df-pr 4156  df-tp 4158  df-op 4160  df-uni 4408  df-iun 4492  df-br 4619  df-opab 4679  df-mpt 4680  df-tr 4718  df-eprel 4990  df-id 4994  df-po 5000  df-so 5001  df-fr 5038  df-we 5040  df-xp 5085  df-rel 5086  df-cnv 5087  df-co 5088  df-dm 5089  df-rn 5090  df-res 5091  df-ima 5092  df-pred 5644  df-ord 5690  df-on 5691  df-lim 5692  df-suc 5693  df-iota 5815  df-fun 5854  df-fn 5855  df-f 5856  df-f1 5857  df-fo 5858  df-f1o 5859  df-fv 5860  df-riota 6571  df-ov 6613  df-oprab 6614  df-mpt2 6615  df-om 7020  df-1st 7120  df-2nd 7121  df-wrecs 7359  df-recs 7420  df-rdg 7458  df-er 7694  df-map 7811  df-pm 7812  df-en 7908  df-dom 7909  df-sdom 7910  df-sup 8300  df-inf 8301  df-pnf 10028  df-mnf 10029  df-xr 10030  df-ltxr 10031  df-le 10032  df-sub 10220  df-neg 10221  df-div 10637  df-nn 10973  df-2 11031  df-n0 11245  df-z 11330  df-uz 11640  df-q 11741  df-rp 11785  df-xneg 11898  df-xadd 11899  df-xmul 11900  df-icc 12132  df-topgen 16036  df-psmet 19670  df-xmet 19671  df-met 19672  df-bl 19673  df-mopn 19674  df-top 20631  df-topon 20648  df-bases 20674  df-lm 20956  df-haus 21042  df-cau 22977
This theorem is referenced by:  hlimcaui  27963
  Copyright terms: Public domain W3C validator